Quin és l'efecte de la temperatura sobre la solubilitat de l'èter de cel·lulosa?

La solubilitat d’aigua de l’èter de cel·lulosa modificat es veu afectada per la temperatura. En general, la majoria dels èters de cel·lulosa són solubles en aigua a temperatures baixes. Quan la temperatura augmenta, la seva solubilitat es fa gradualment pobra i, finalment, es fa insoluble. La temperatura de la solució crítica més baixa (LCST: baixa temperatura de solució crítica) és un paràmetre important per caracteritzar el canvi de solubilitat de l’èter de cel·lulosa quan la temperatura canvia, és a dir, per sobre de la temperatura de solució crítica inferior, l’èter de cel·lulosa és insoluble en l’aigua.

S’ha estudiat la calefacció de solucions aquoses de metilcel·lulosa i s’ha explicat el mecanisme del canvi de solubilitat. Com s'ha esmentat anteriorment, quan la solució de metilcel·lulosa és a baixa temperatura, les macromolècules estan envoltades de molècules d'aigua per formar una estructura de gàbia. La calor aplicada per l’augment de la temperatura trencarà l’enllaç d’hidrogen entre la molècula d’aigua i la molècula MC, l’enllaç de la gàbia es destruirà i la molècula d’aigua s’alliberarà de la unió de l’enllaç d’hidrogen per convertir-se en una molècula d’aigua lliure Associació hidrofòbica d’hidrogel induït per hidroxipropil metilcel·lulosa. Si els grups de metil de la mateixa cadena molecular s’enllacen hidrofòbia, aquesta interacció intramolecular farà que tota la molècula aparegui enrotllada. Tanmateix, l’augment de la temperatura intensificarà el moviment del segment de la cadena, la interacció hidrofòbica de la molècula serà inestable i la cadena molecular canviarà d’un estat enrotllat a un estat estès. En aquest moment, la interacció hidrofòbica entre molècules comença a dominar. Quan la temperatura s’aixeca gradualment, cada cop es trenquen més enllaços d’hidrogen, i cada vegada més molècules d’èter de cel·lulosa es separen de l’estructura de la gàbia i les macromolècules que s’apropen més entre elles es reuneixen mitjançant interaccions hidrofòbiques per formar un agregat hidrofòbic. Amb un augment més de la temperatura, eventualment es trenquen tots els enllaços d’hidrogen i la seva associació hidrofòbica arriba a un màxim, augmentant el nombre i la mida dels agregats hidrofòbics. Durant aquest procés, la metilcel·lulosa es torna progressivament insoluble i, eventualment, completament insoluble en aigua. Quan la temperatura puja fins al punt en què es forma una estructura de xarxa tridimensional entre macromolècules, sembla formar un gel macroscòpicament.

Jun Gao i George Haidar et al van estudiar l'efecte de la temperatura de la solució aquosa hidroxipropil cel·lulosa mitjançant dispersió de la llum i van proposar que la temperatura de solució crítica més baixa de la hidroxipropil cel·lulosa sigui d'aproximadament 410C. A una temperatura inferior a 390C, la cadena molecular única de hidroxipropil cel·lulosa es troba en un estat enrotllat aleatòriament i la distribució del radi hidrodinàmic de les molècules és àmplia i no hi ha cap agregació entre macromolècules. Quan la temperatura s’incrementa a 390C, la interacció hidrofòbica entre les cadenes moleculars es fa més forta, les macromolècules s’agreguen i la solubilitat d’aigua del polímer es fa pobre. No obstant això, a aquesta temperatura, només una petita part de molècules de cel·lulosa hidroxipropil formen alguns agregats solts que contenen només algunes cadenes moleculars, mentre que la majoria de les molècules encara es troben en l'estat de les cadenes úniques disperses. Quan la temperatura puja a 400C, més macromolècules participen en la formació d’agregats, i la solubilitat es fa pitjor i pitjor, però en aquest moment, algunes molècules encara es troben en l’estat de les cadenes simples. Quan la temperatura es troba en un rang de 410C-440C, a causa del fort efecte hidrofòbic a temperatures més altes, més molècules es reuneixen per formar nanopartícules més grans i denses amb una distribució relativament uniforme. Les elevacions es fan més grans i més denses. La formació d’aquests agregats hidrofòbics condueix a la formació de regions d’alta i baixa concentració de polímer en solució, una anomenada separació de fase microscòpica.

Cal assenyalar que els agregats de nanopartícules es troben en un estat cinèticament estable, no un estat termodinàmicament estable. Això és degut a que, tot i que l’estructura de la gàbia inicial s’ha destruït, encara hi ha un fort enllaç d’hidrogen entre el grup hidroxil hidròfil i la molècula d’aigua, cosa que impedeix que grups hidrofòbics com el metil i l’hidroxipropil es combinen entre. Els agregats de nanopartícules van arribar a un equilibri dinàmic i a un estat estable sota la influència conjunta dels dos efectes.

A més, l’estudi també va trobar que la taxa de calefacció també té un impacte en la formació de partícules agregades. A una velocitat de calefacció més ràpida, l’agregació de cadenes moleculars és més ràpida i la mida de les nanopartícules formades és menor; I quan la velocitat de calefacció és més lenta, les macromolècules tenen més oportunitats de formar agregats de nanopartícules de mida més gran.